자기부상열차

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1. 개요
2. 역사
2.1. 등장: 인접 분야와의 비교
2.2. 2000년대 이전
2.3. 2000년대
2.4. 2010년대
2.5. 2020년대
3. 연구 분야
3.1. 자기 방식
3.2. 자기 위치
3.3. 건설 유지
3.4. 운전 속도


1. 개요[편집]


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인천공항 자기부상철도의 자기부상열차 에코비

자기부상열차 / 磁氣浮上列車 / Maglev (Magnetic levitation train)

궤도와 열차 사이를 전자기력에 의한 반발력으로 띄우고 추진력을 이용하는 방식의 차량을 말한다.[1]


2. 역사[편집]



2.1. 등장: 인접 분야와의 비교[편집]




마찰저항
공기저항
고속
고속철도
O
O
부상
자기부상열차, 호버트레인
X
O
튜브
튜브트레인, 하이퍼루프
X
~X

  • 고속 - 1964년, 일본의 신칸센으로 고속철도가 등장하였으나 차륜-궤도 간의 마찰저항-구름저항이 지적받는다. 차량 내 진동저감, 선두부의 공기역학적 설계, 동력분산식 추진 등을 도입하지만, 1980년대 TGV의 최고속도 실험이 보여주듯 600km/h 이상이 어렵다는 점이 밝혀진다.
  • 부상 - 이에 차량을 띄우는 방안이 논의되기 시작했다. 자기부상열차를 이용하자는 독일의 트랜스래피드(1969-), 팬과 양력을 이용하자는 영국의 호버트레인(1973-)과 프랑스의 아에로트랭(1974-) 등이 그것이다. 하지만 띄우는 방식은 고속+중량감소로 인해 공기저항이 커진다는 점이 밝혀진다.
  • 튜브 - 이에 아예 튜브를 씌우고 공기저항을 전부 또는 희박하게 없애자는 방향이 논의된다. 최초의 구상은 18세기부터 있던 튜브트레인이다.[2] 2010년에 후반 들어 갑자기 여러 업체와 엔지니어 팀이 달려들어 실증을 해보겠다고 나서기도 하고, 많은 모형도 만들어졌다. 당연히 수십 km에 달하는 아진공의 관을 만드는 것은 현재 기술로 어렵고 또한 만들 수 있다고 치더라도 그 안정성과 비용, 적합성 등 때문에 여객용으로는 매우 부적합하기에 애초에 18세기에 처음 제안된 이후로도 개발이 지지부진했던 것이고, 반짝 관심이 지난 후 되려 회의적으로 보는 사람들이 더 늘어났다.[3]

튜브를 씌운 연구는 하이퍼루프에, 안 씌운 연구는 본 문서에 정리한다.


2.2. 2000년대 이전[편집]


1984년, 영국에서 "버밍엄 노선"이 세계 최초로 상업운전을 시작했다. 버밍엄 국제공항의 철도 액세스를 위해 건설되었지만, 시설 노후화로 1995년 철거되고 피플무버가 설치되었다.

1989년, 독일에서 "베를린 M반 노선"이 세계 두번째로 상업운전을 시작했다. 분단으로 고자가 된 베를린 U반의 수송대체로 설치되었으나 얼마 안 되어 통일이 되며 1991년 철거되었다.

1989년, 대한민국의 과학기술부는 '도시형 자기부상열차 시제품 제작' 사업에 10년간 149억원을 지원하기로 한다.[4]

1991년, 한국기계연구원현대로템이 연구하여 시제차를 만들었다.[5]

1993년, 1993 대전 엑스포를 맞아 국립중앙과학관 자기부상열차가 일반인이 승차하는 시범운행을 했다. 이후 2018년 폐선된다.


2.3. 2000년대[편집]


2002년 12월, 중국에서 상하이 자기부상 시범운영선이 개통했다.

2003년 1월, 대한민국의 산업부가 '실용화를 위한 차량 개발' 사업에 2008년까지 156억원을 지원하기로 한다. 2004년, 국가과학기술위원회가 이를 '집중 지원 과제'로 선정했다. 2005년, 과학기술관계장관회의 또한 '대형국가연구개발실용화사업 예비타당성조사 1번 과제'로 꼽았다. 2020년경 세계시장 크기가 국내외 300조원에 달할 것이라는 장밋빛 전망을 했다.

2005년 3월, 일본에서 아이치 고속교통 동부구릉선이 개통했다.

2006년 9월, 독일에서 독일 자기부상열차 추돌사고가 발생했다.

2009년 1월, 대한민국의 한국철도기술연구원이 초고속 자기부상열차인 하이퍼튜브를 세계 최초로 연구하기 시작한다. 해당 문서 참고.


2.4. 2010년대[편집]


2011년 11월 ~ 2015년 5월, 대한민국의 한국기계연구원한국철도기술연구원이 공동으로 160억원을 들여 초고속 자기부상열차 시험차량 SUMA550(개발명)을 제작하고 오송에 150m 가량의 시험선 구축했다. 시속 550km 이하까진 흡인식, 이상은 초전도식이 유리하다고 판단했다. 소개기사, 시험운행 블로그, 시험운행 영상.

2014년 12월, 일본에서 츄오 신칸센이 2027년 완공을 목표로 착공했다.

2016년 2월, 대한민국에서 인천공항 자기부상철도가 개통했다. 최고속도가 110km/h 정도인 경전철 종류의 도시형 자기부상열차다. 2022년 폐선 논란을 겪는다.

2016년 5월, 중국에서 창사 자기부상 고속선이 개통했다.

2017년 12월, 중국에서 베이징 지하철 S1선이 개통했다.

2018년 1월, 한국기계연구원이 2026년까지 '신뢰성 및 경제성 향상을 위한 분산형 자기부상 기술 개발' 과제를 시작했다.

2018년 4월, 중국과 일본이 공동으로 자기부상열차 개발하는 '에어로 트레인' 프로젝트를 공개했다. #

2019년 5월, 중국 상하이시에서 중국중차의 자회사인 중처쓰팡(中車四方)이 차량을 공개했다. 시속 600km를 목표한다. #

2019년 6월, 한국철도기술연구원은 냉동기의 지속적인 냉동 없이 극저온 고체를 넣어둠으로서 4시간 운전 가능한 고온초전도체 전동기를 개발해 시운전에 성공했다. #

2019년 11월, 중국 선전시가 광저우-선전 자기부상열차 노선 계획을 밝혔다. #


2.5. 2020년대[편집]


2020년 6월, 중국 상하이시에서 중국중차의 자회사인 중처쓰팡(中車四方, 중차사방, 중차청도사방기차의 줄임말)이 첫 시험운전했다. 독일 Transrapid와 협력해 온 상전도 기술을 베이스로 한다. 상하이-동제대학 캠퍼스 내의 1.5km 시험노선이다. # 2020년 8월, 중국 국토부가 중국중차의 자회사 중처쓰팡의 시속 600km 자기부상열차 시험을 승인했다. 거창한 목표와 달리 시험결과는 시속 55km에 머물렀다. #

2020년 9월, 중국 공정원이 상하이-항저우, 광저우-선전 구간 등 자기부상열차 노선 계획을 밝혔다. #

2021년 1월, 중국 청두시 시난교통대학이 최대 시속 620km의 자기부상열차를 선보였다. 고온초전도체를 적용한 것은 세계 최초다. #

2021년 6월, 중국 후난성 주저우시에서 중국중차의 자회사 주저우(株洲)전기기관차회사가 시속 200km의 자기부상열차 연구상황을 알렸다. 5G, 무인운전, 비접촉전원이 업데이트되었다. #

2021년 6월, Nevomo는 유럽연합으로부터 250만유로를 지원받아 앞서 2021년 6월 폴란드에 자기부상열차 시험 트랙을 지었다. 기존 철차륜 인프라를 이용할 수 있는 시속 550km의 자기부상열차를 만들겠다고 했다. #

2021년 7월, 중국 산둥성 칭다오시의 기관차 개발사인 중처쓰팡(中車四方)이 시속 600km의 자기부상열차 개발계획을 밝혔다. #

2021년 12월, 중국 장시성이 영구부유를 적용한 현수식 자기부상열차를 선보였다. 장시이공대학과 중티에(中鐵)과학공업그룹이 참여했고 차량명은 '싱궈'다. 한번에 88명을 태우고 최대시속 120km, 설계시속 80km다. # 2022년 8월, '싱궈'가 상업 운행을 시작했다. #

2022년 10월, 중국 산둥성 지난시에서 중국과학원이 중량 1t 이상의 차량을 시속 1030㎞ 속도로 이동시키는 데 성공했다. 6500억원짜리 과제로, 2022년 1단계 2km가 6월 완공되었고, 2024년 2단계 15km, 최종 60km를 시험할 예정이다. #

2023년 3월, 프랑스 SNCF(철도공사)가 '자기 철도' 전문 폴란드 회사인 Nevomo와 협력하여 "기존 철차륜 인프라를 이용할 수 있는 시속 550km의 자기부상열차/하이퍼루프"를 개발하겠다고 선언했다. #

2023년 4월, 중국중차 산하 중차장춘궤도객차가 고온 초전도 리니어 모터 프로토타입이 시험주행을 했다. 중국항천과공집단(CASIC)와의 공동연구다. 중차장춘궤도객차는 '열차가 움직일 때 부상' 방식이고, 나아가 서남교통대학은 고온초전도로 '정지 상태에도 부상' 방식을 연구중이다. #

2023년 9월, 폴란드 회사 Nevomo가 폴란드 Nowa Sarzyna에서 본인들의 "기존 철로에서 자기부상" 기술을 공개 시연, 성공했다. CEO인 Przemek Ben Paczek은 "수십년이 아닌 수년 안에 철도운송에 혁명이 일어날 것" 등을 말했다. #

3. 연구 분야[편집]


기술별로 장단점이 나뉜다. 튜브 및 아진공, 수송 효율 관련 논의는 하이퍼루프 문서 참고.


3.1. 자기 방식[편집]


상전도식(흡인식, 전자기력적 / EMS_Electromagnetic suspension)
  • 일반 전자석으로 ㄴㄱ형태로 엇갈리게 배치하고, 열차를 잡아당겨 살짝 띄우는 형태다.
  • 저속역에선 지상지지가 필요해 지지궤도/안내궤도 등을 추가 부설해야 한다.
  • 자기저항으로 부양력이 10~20mm 정도 뜨는 것이 한계며, 이 때문에 고속제어에 불리하다.[6]
  • 대표적인 사례들은 다음과 같다. Transrapid를 제외하곤 중저속 도시철도를 목표했다.

초전도식(반발식, 전기역학적 / EDS_Electrodynamic suspension)
  • 초전도체 전자석으로 대략 10cm 정도 뜰 수 있고, 고속제어에 유리하다.
  • 대량수송에 불리하고, 긴 선로를 극저온으로 유지하기 어렵다.[7]
  • 대표적인 사례들은 일본의 JR 도카이츄오 신칸센과 대한민국의 하이퍼튜브 등 초고속열차들이다.

인덕트랙식(Inductrack)
  • 영구자석을 할바흐 배열(Halbach array)로 배치한 방식이다.
  • 초전도/상전도식은 능동적(active)이지만, 인덕트랙은 수동적(passive)으로 부양 에너지가 거의 없다.
  • 대표적인 사례로는 미국의 HTT의 캘리포니아 하이퍼루프 8km 시험노선이다.


3.2. 자기 위치[편집]


부상용과 주행용 전자석의 위치가 나뉜다.

부상용 전자석
  • 단극형 - 주행시 자기력의 반쪽만 사용하지만, 제어가 편리하고 주행속도에 관계없이 안정적 자기장을 가진다.
  • 양극형 - 저속에서 효율이 높지만, 고속에선 솔레노이드의 리액턴스로 인해 자기장이 약해진다. 또한 주행시 바닥 전자석 제어시스템과 동기화가 잘 되지 않으면 차체와 바닥 사이 인력이 작용해 붙어버릴 것이다.

주행용 전자석, 동력 방식은 선형 전동기[8]의 고정자의 위치에 따라 나뉜다.

차상식(유도전동기, LIM, Linear Induction Motor) - 지상 회전자[9], 차상 고정자.
  • 설비가 간단해지고 동기화가 필요없어져 제어가 편리하다.
  • 속도를 올리려면 효율성이 낮아진다. 저속에선 더 효율적 선택일 수 있다.[10]
  • 감속능력은 유도전동기가 나으므로 도시철도로 적합할 수 있다.[11]

지상식(동기전동기, LSM, Linear Synchronous motor) - 지상 고정자, 차상 회전자.
  • 궤도의 전자석 코일 설비에 자속 동기화 제어가 필요한 등 기술 부담이 크지만 추진력-효율성이 높다.
  • Transrapid, 츄오 신칸센 등 고속일 경우 채택하는 방식이다.
  • 여담으로 부산 4호선의 콘크리트 레일 사이 주석도금 철판이 있는데, 히타치 선형 전동기 계자부와 규격이 거의 똑같다. 필요하다면 비동기식 선형 전동기를 다는 마개조를 통해 자기부상은 아니어도 자기주행은 가능하다(...). 물론 부산 4호선은 차량 하부에 3상 전동기가 달린 일반 전동차다.
  • 고속주행의 전기자는 궤도 옆면에 붙인다. 하부에선 띄우기만 하고 옆면이 자기장을 제어해 안정적 포메이션을 만드는 것. 전기자 코일들은 자극이 교반되도록 설계되나, 굳이 열차와 동기화되는 일은 잘 없다. 열차와 궤도가 동기화되어 밀어내고 끌어당기는 극을 열차와 궤도가 동시에 변경하기도 하나, 같은 이유에서 싱크가 풀리면 드르르륵 거리며 열차가 멈추게 하기도 한다. 코킹 토크에 의해 뚝 뚝 짧고 강한 힘이 작용하기 때문이다. 열차의 리니어 모터만 자극을 바꾸도록 설계하곤 한다.


3.3. 건설 유지[편집]


  • 기존 철도 시스템과 전혀 호환성이 없어 모든 기반시설을 처음부터 지어야 한다.
  • 비표준화, 높은 단가 등의 문제를 겪을 수 있다. 거꾸로 기술을 선도해 표준을 선점하자는 반론도 있다.
  • 자기 부상을 유지하기 위한 소모 에너지가 크다. 항공-자동차 교통보단 낫지만 재래 철차륜보단 높게 된다.
  • 초전도식은 극저온을 유지하기 위한 소모 에너지도 크다.


3.4. 운전 속도[편집]


중저속 운행에서의 논의는 다음과 같다.
  • 구름저항/마찰저항이 극히 작아져서 공기저항이 크지 않은 중저속 운전에서 이점이 크다.
  • 상전도식의 부양유지가 불가능하다. 비행기 랜딩기어처럼 안내/지지궤도/마찰차륜을 도입하면 구름저항/마찰저항의 이점을 도로 잃는다. 커지는 자체 중량과 이에 의한 에너지 소모의 밸런스를 찾기도 어렵다.

초고속 운행에서의 논의는 다음과 같다.
  • 철차륜 고속철도가 350km/h 이하의 상업운전을 하는 것에 반해 그 이상의 고속운행이 가능하다. 트랜스래피드 시스템 기반으로 최초 상업운전을 시작한 상하이 자기부상 시범운영선은 상전도식으로 설계최고 430km/h에 달한다. 일본의 야마나시 시험선-츄오 신칸센 초전도식으로 상업운전 505km/h 계획을 계획하고 있다. 이렇게 시속 400km 이상의 초고속 운전이 가능한 지상 교통 시스템은 현재로서는 자기부상열차밖에 없다.
  • 고속에서는 부양을 위한 중량 감소 및 속도의 제곱에 비례해 공기저항이 커진다. 이에 대해선 하이퍼루프 문서 참고.
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[1] 인접분야와 용어가 공존할 수 있다. 예컨대 속도가 빠르면 자기부상열차면서 고속철도라 할 수 있고, 튜브를 씌우면 자기부상열차면서 튜브트레인 또는 하이퍼루프라 할 수 있고, 양력도 적용되면 자기부상열차면서 호버트레인 또는 아에로트랭이라 할 수 있다.[2] 영문 위키 Vactrain(Vacuum Tube Train, 진공 관 열차) 참고.[3] 애초에 2010년 후반의 반짝유행은 캘리포니아 고속철도 건설을 방해하려는 목적으로 일론 머스크가 미디어에 하이퍼튜브라는 이름을 붙여 이슈의 불을 붙였다가 수 많은 베이퍼웨어가 생겨나면서 조성된 버블이었다. 2023년 현재 기준으로, 진지하게 투자에 나섰던 회사도 모두 철수하였고, 그나마 남은 베이퍼웨어들도 소셜미디어로 여론몰이만 하는 중이다.[4] 이후로도 지원을 이어나가서 2000년~2021년까지 134억원, 연 6억원 꼴로 지원했다.[5] 한국철도기술연구원이 아닌 이유는, 철도연은 이후 1996년에야 발족한 기관이기 때문.[6] 그래도 고속철도보다 일반적으로 빠르다.[7] 고온초전도체를 이용하고, 액체질소가 아무리 저렴해도, 계속 접촉을 통해 냉각이 필요하다. 2019년 한국철도기술연구원이 한 번 액체 및 고체질소를 담으면 4시간 이상 운행 가능한 고온초전도체 전동기를 출시하긴 했다.[8] 기존 전동기(모터)에 비해 효율이 높다.[9] 리액션 플레이트[10] 기존 철도차량에서 IM/SM의 채용과 상당히 유사한 맥락. TGV 계열은 동기전동기를 오랫동안 사용해왔고, 유도전동기의 효율이 개선되고 나서야 IM으로 갈아탄 전력도 있다.[11] 동기전동기 방식의 리니어모터는 주행속도 감소를 위해 역방향의 자기장을 발생하기 위해 회생제동을 하는데, 이 때 제동을 위해 인버터를 면밀하게 제어해야 하나 유도전동기는 그냥 정류기와 캐퍼시터 달면 바로 회생제동이 된다. 일반 유도전동기 차량의 회생제동이나 엘리베이터, 산업용 기계가 이렇게 멈춘다.